-
Elektrische schrittsteuerunnseinrichtunq Die Erfindung hetrifft eine
elektrische Schrittsteuerungseinrichtunq für qeradliniae oder Drehbewegungen, insbesondere
für numerische Steuerunqen, mit einem in Abhängigkeit von zuaeführten einzelnen
Schrittpulsen die qchrittheweaunqen erzeugenden Stellantrieb, der mit einem induktiven
Meßwertgeber gekuppelt ist, welcher aus einem primärwicklungsseitig einaespeisten
elektrischen Einqanqssignal ein von der Stellung des Stellantriebs abhängiges elektrisches
Ausgangssignal ableitet, aus dem ein Stellsianal für den Stellantrieb erzeugt wird.
-
roumerische Steuerunaen werden insbesondere in Verbindung mit Werkzeugmaschinen
einaesetzt, wo sie dazu dienen, w7erschiehe- oder Prehbewegungen in Abhcangigkeit
von Maßzahlen zu steuern, welche in die numerische Steuerung eingegeben werden und
die aewünschten Bewequnaen eindeutig kennzeichnen.
-
Bei einer in der Praxis bekannten elektrischen Schrittsteuerungseinrichtunrr
für numerische Steuerungen ist ein die Schrittbewegungen bewirkender Stellantrieb
vorhanden, der mit einem induktiven Meßwertgeber gekuppelt ist. Dieser Meßwertgeber
kann entweder für Drehbewegungen oder für lineare Bewegungen ausgeleqt sein; er
ist haufig als soqenannter Drehmelder ausgebildet. Ein solcher Drehmelder weist
einen Stator und einen motor auf; der eine
Teil trägt zwei räumlich
gegeneinander versetzte Primärwicklungen, während der andere Teil mit einer Sekundärwicklung
versehen ist. Die PrimärwidJungen werden mit zwei derart gegeneinander phasenverschobenen
Primär-Wechselspannungen gespeist, daß im Luftspalt des Drehmelders ein magnetisches
Drehfeld entsteht. Die Phasenlage der in der Sekundärwicklung induzierten Sekundär-Wechselspannung
hängt dann von der Drehstellung des Pvotors ab; sie wird mit einer festen Bezugs-Wechselspannung
verglichen. Aus einer zwischen den beiden Spannungen, abhängig von der Drehlage
des Rotors1 vorhandenen Phasenverschiebung wird ein elektrisches Stellsignal für
den Stellantrieb abgeleitet, der solange eine Beweaung ausführt, bis die Phasenverschiebuna
verschwunden ist.
-
Sowohl die Bezugsspannung als auch die beiden Primärspannungen des
Meßwertgebers werden mittels Frequenzteilern, die den qleichen Teilfaktor hahen,
durch Frequenzteilung aus einer Wechselspannung höherer Frequenz gebildet. Am Eingang
der Frequenzteiler für die Primärspannungen können einzelne Schrittpulse zwischen
die Spannungsperioden eingefügt werden. Jeder Puls führt zu einer Phasenverschiehunq
der Primärspannungen gegen die Bezugsspannung und somit zu einer Phasenverschiebung
der Sekundärspannung geqen die Bezugsspannung, die ein entsprechendes Stellsignal
ergibt, das eine solche Drehbewegung des Stellantriebs bewirkt, daß die Phasenverschiebung
immer zum Verschwinden gebracht wird. Ein gegensinniger Verstellbefehl wird dadurch
gegeben, daß entweder am Eingang des die Bezugsspannung bildenden Frequenzteilers
Pulse zwischen die Perioden der zu teilenden Frequenz eingefügt werden, oder an
den Eingängen der die Primärspannungen bildenden Frequenzteiler einzelne Perioden
unterdrückt werden.
-
Bezeichnet man den Teilfaktor der Frequenzteiler mit k und werden
zu der zu teilenden Frequenz k Pulse hinzugefügt
oder werden entweder
am Eingang des Frequenzteilersfür die Bezugsspannung oder an den Eingängen der Frequenzteiler
für die Primärspannungen k-Perioden unterdrückt, so verschieben sich die Primnrspannungen
gegen die Bezugsspannung um eine Periode.
-
Wird nun der Stellantrieb derart gesteuert, daß bei dieser Verschiebung
der Primärspannungen gegen die Bezugsspannung um eine Periode die Phasenverschiebung
zwischen der Sekundärspannung und der Bezugsspannung einen bes timmten Betrag, der
in jedem Falle kleiner ist als eine Periodelnicht übersteiqt und schließlich wieder
verschwindet, so hat der Stellantrieb nach Abschluß seiner Bewegung den mit ihm
verbundenen Drehmelder gerade um eine Polteilung verdreht, d.h. beispielsweise bei
einem Drehmelder mit einem Polpaar pro Primärwicklung um eine Umdrehung. Soll heispielsweise
mit einer Umdrehung des Drehmelders eine Strecke von in nm in 1.000 Teile, also
zu 0,01 m aufgelöst werden, so muß ein Teilfaktor k der Frequenzteiler von 1.000
vorgesehen werden. Bei der üblichen Betriebsfrequenz, d.h.
-
der Frequenz der Prirnärspannungen, der Sekundärspannung und der Bezugsspannung
des Drehmelders von 400 Hz, bedeutet dies, daß die zu teilende Frequenz 400 kHz
sein muß.
-
Bei Verwendung eines linearen induktiven Meßwertgebers anstelle des
Drehmelders mit einer Teilung von 2 mm, einer zazeckmäßigen Betriebsfrequenz von
10 kIIz und einer dann üblichen Auflösung auf 0,001 mm, also in 2.000 Teile müßte
die zu teilende Frequenz 20 Hz hetragen.
-
Derart hohe Frequenzen sind für den Bau und den Betrieb elektrischer
Steuerungen von grundsätzlichem Nachteil.
-
Bei der bekannten im vorstehenden erläuterten elektrischen Schrittsteuerungseinrichtung
wird der Stellbefehl aus der Phasenverschiebung zwischen der Bezugsspannung und
der Sekundärspannung des Meßwertgebers in der Weise abgeleitet, daß eine Auswerteschaltung
Pulse bildet, deren Länge der Phasenverschiebung entspricht und die sich mit der
Betriebsfrequenz des Meßwertaehers wiederholen. Aus diesen Pulsen wird über ein
Filter eine Gleichspannung gebildet, die zur mittelbaren Ansteuerung des Stellantriehs
dient. Durch dieses Filter wird aber die mögliche Grenzfrequenz des Regelkreises,
der aus den zu verstellenden Elementen, dem Stellantrieb, dem mit diesem gekuppelten
Meßwertgeber, der Auswerteschaltuna und dem Filter besteht auf einen Bruchteil der
Betriebsfrequenz des Meßwertgeber begrenzt. Im Falle eines mit 400 Hz betriehenen
Drehmelders ist dies in vielen Anwendungsfällen ein Nachteil.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrnde, eine elektrische Schrittsteuerungseinrichtung für geradlinige oder Drehbewegungen
zu schaffen, die es gestattet, exakte Schrittbewegungen zu erzielen, ohne eine hohe
Ausgangsfreguenz zu henötigen, die entsprechend der Auflösung der Polteiliintdes
Meßwertgebers auf dessen Betriebsfrequenz geteilt werden muß, wobei auch kein Filter
benötigt wird, das die mögliche Grenzfrequenz des Regelkreises auf einen niedrigeren
Wert begrenzt als er sich aus der Betriebsfrequenz des Meßwertgebers oder den Erfordernissen
des Regelkreises ergibt.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs genannte elektrische Schrittsteuerungseinrichtung
erfindungsqemäß dadurch gekennzeichnet, daß durch die Schrittpulse ein elektrischer
Puls zähler mit einem der Auflösung einer Polteiluna des 3teßszertgebers entsprechenden
ZAhlhereich auf- oder abwärts gezählt wirc
und der Pulszähler ausgangsseitig-
mit den EinaXnaen eines Digital/Analog-Umsetzers verbunden ist, der an seinen Ausgängen
als Eingangssignal für den nachgeschalteten induktiven Meßwertgeber zwei qleichfrequente'
qleichnhasie Spannungen an zwei raurlich veaeneir.ander versetzte rrimärwicklungen
des Meßwertgebers abgibt, welche ein im Betran konstantes resultierenzes magnetisches
TTechselfeld Orzeuqen, dessen raumliche Lage eine Funktion des jeweiliqen Zählerstandes
des Pulszählers ist und daß eine das Ausgangssignal bildende Sekundärspannung des
induktiven Meßwertgehers in gleichen Zeitabständen während eines kleinen Bruchteiles
einer Halbwelle abgetastet wird und jeder abgetastete Spannungswert in einem Speicher
bis zur jeweils nächsten Abtastung gespeichert und aus ihm das Stellsignal fr den
Stellantrieb abgeleitet wird.
-
Hierhei ist es zweckmäßig, daß die Abtastung mit der Freauenz der
Sekundärspannung erfolgt, wobei in einer hevorzugten Ausführunqsform die Anordnung
derart getroffen ist, daß die Abtastung jeweils bei den positiven oder negativen
Scheitelwerten der Spannungshalbwellen geschieht.
-
Die Sekundärwicklung des Meßwertgebers kann hierbei über eine Torschaltung
mit einem den Speicher bildenden Kondensator gekoppelt sein, während die Torschaltung
durch einen Torimpuls jeweils während der Abtastzeit durchlässig gemacht wird.
-
In der Zeichnuna ist ein Ausführunqsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 Ein schematisches Prinzipschaltbild einer
elektrischen Schrittsteuerungseinrichtung gemäß der Erfindung,
Fig.
2 Diagramme zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufes einzelner Spannzungen
der Schrittschalt steuerungseinrichtung nach Fig. 1 und Fig. 3 Zeigerdiagramme zur
Veranschaulichung der räumlichen Lage des magnetischen Wechselfeldes und der Achse
der Sekundärwicklung des induktiven Meßwertgebers der Schrittsteuerungseinrichtung
nach Fig. 1.
-
Die in Fiq. 1 schematisch dargestellte Schrittsteuerungseinrichtung
weist einen Pulszähler 1 auf, dem von außen her elektrische Schrittpulse zugeführt
werden, wie dies bei 2 schematisch angedeutet ist. Die Eingabe der Schrittpulse
geschieht je nach Bauart entweder über eine Leitung, wobei dann über eine oder mehrere
leitungen die Zählrichtung anseaeben wird oder über zwei Leitunaen, von denen über
eine Pulse fiir die eine Zählrichtung und über die andere Pulse für die andere Zählrichtung
eingespeist werden. Der Pulszähler 1 wird durch die eingegebenen Schrittpulse 3
auf- oder abwärts gezählt. Die Ausgänge des Pulszählers 1 sind über Leitungen 4
mit den Fingänaen eines Digital/Analog-Umsetrers 5 verbunden. Dem Diqital/Analoq-Umsetzer
5 wird huber eine Leitung 6 eine bei 70angedeutete Bezugs-Wechselspannun zugeführt;
er erzeugt abhängig von dem elektrischen Zustand an seinen Eingängen, d.h. abhängig
von dem Zählerstand des Puls zählers 1 an seinen Ausgängen 7 zwei gleichfrecruente
gleichpbasige elektrische Spannungen, welche 2 räumlich gegeneinander versetzten
Primärwicklungen 8 eines bei 9 angedeuteten induktiven Meßwertgebers in Gestalt
eines Drehmelders als Primärspannungen Upr 1 und Upr 2 zugeführt werden. Die beiden
Primärwicklungen 8 des Drehmelders 9, die um 900 räumlich gegeneinander versetzt
sind,
erzeuqen ein resultierendes maanetisches Wechsel feld im Luftspalt,
dessen Betrag konstant ist und dessen räumliche Lage eine Funktion des jeweiligen
Zählerstandes des Pulszählers 1 ist, wie dies noch erläutert werden wird.
-
Der Drehmelder 9 weist einen Rotor auf, welcher eine Sekundärwicklung
10 träat und mechanisch mit einem Stellmotor 11 gekoppelt ist, der die Schrittbewegung
erzeugt und dessen Verbindung mit den zu steuernden Elementen/beispielsweise einem
Schlitten auf seinem Bett/nicht dargestellt ist. Die Sekundärwicklung 10 ist über
eine elektrische Torschaltung 12 mit einem Kondensator 13 gekoppelt, an den über
Leitungen 14 der Eingang eines Verstärkers 15 anqeschlossen wird, der ein iiber
die Leitunqen 14 zugeführtes Stellsignal verstärkt und bei 16 dem Stellmotor 11
zuführt. Mit dem Stellmotor 11 ist ein Tachogenerator 17 mechanisch gekoppelt, der
bei 18 den Verstärker 15 speist.
-
Die Bezugsspannung 70wird außerdem bei 19 einem Bezugspulsbildner
20 zugeführt, der aus der Bezugsspannung 70 elektrische Bezugspulse 210 ableitet,
die mit der Frequenz der Bezugsspannung 7njeweils etwa zum Zeitpunkt der positiven
oder negativen Scheitelspannnqen der Bezugsspannung auftreten und deren Länge wesentlich
kleiner als eine Halbwelle der Bezugsspannung 70 ist. Die Bezugspulslänge beträgt
beispielsweise etwa 1/2kl der Periodenlänge.
-
Die Wirkungsweise der neuen Schrittsteuerungseinrichtung erqibt sich
insbesondere im Zusammenhang mit den Fig. 2, 3. Dem Bezugspulsbildner 20 und dem
Digital/Analog-Umsetzer 5 wird eine Bezugssnannung7O zugeführt. Die an den Ausgängen
7 des Dioital/Analoa-Umsetzer von diesem abgegebenen Primärspannungen Upr 1, Upr
2 für die Primärwicklungen 8 des Drehmelders 9 haben eine solche Größe, daß
wie
aus den Darstellungen a), b), c) der Fig. 3 zu ersehen, von den um 900 räumlich
gegeneinander versetzten Primärwicklungen 8 ein magnetisches Wechselfeld erzeugt
wird, dessen Betrag konstant ist und dessen Zeiger bei 21 angedeutet ist. Die bei
22 durch einen Zeiger angedeutet Achse der Sekundä7icklung 10 stellt sich so ein,
daß sie rechtwinklig zu dem Zeiger 21 des magnetischen echselfeldes verläuft, womit
die in der Sekundärwickluna ß von dem magnetischen Wechselfeld induzierte Sekundärspannung
zu Null wird.
-
Zum Zeitpunkt t = tO wird in den Pulszähler 1 ein Schrittpuls 3 eingegeben,
der den Pulszähler 3 heispielsweise auszählt. Damit verändert sich der elektrische
Zustand am Eingang des nigital/Analog-umsetzers 5 derart, daß die eine Primärspannung
Upr 2 in der bei d) in Fig. 2 ersichtlichen Weise um 180 in der Phase verschohen
wird.
-
Dies hat zur Folae, daß/wie aus der Darstellung h) in Fiq.
-
3 zu ersehen, der Zeiger des magnetischen Wechselfeldes 21 eine räumlich
Verschwenkung erfährt. Damit wird der Zeiger 21 des magnetischen Wechselfeldes gegenüber
der Achse 22 der Sekundärwicklung 10 des noch stillstehenden Rotors des Drehmelders
9 verschoben, was zur Folge hat, daß in der Sekundärwicklung 10 eine Sekundärspannung
Usek induziert wird (Fig. 2 e)).
-
Der Bezuqspulsbildner 20 bildet aus der Bezugsspannung 70 elektrische
Bezugspulse 21( (Fig. 2 f)), die etwa gemeinsam mit den Scheitelwerten der Bezugs
spannung P auftreten und deren Länge, wie hereits vermerkt, gegenüber der Halbwellenlänge
der Bezugsspannung sehr klein ist. Die Bezuqspulse 215 werden bei 23 der Torschaltung
12 zugeführt, die von den Bezugspulsen 210 derart qesteuert wird, daß sie beim Auftreten
eines Bezugspulses jeweils kurzzeitig durchlässig gemacht wird. Dies bedeutet, daß
der Kondensator 13
jeweils zur Zeit eines Bezugspulses 210 an die
Sekundärwicklung 10 des Drehmelders 9 gelegt und je nach Phasenlage der Sekundärspannung
mit dem positiven oder negativen Scheitelwert der Sekundärspannung geladen wird,
wie dies in Fiq. 2 g) veranschaulicht ist. Der Kondensator 13 heilt seine Ladung,
bis zur auftreten des nächsten Bezugspulses 210.Der Kondensator 13 wirkt deshalb
als Speicher.
-
Die an dem Kondensator 13 liegende Spannung wird von dem Verstärker
15 verstärkt, an dessen Ausgang ein entsprechendes Stellsignal auftritt, das bei
16 dem Stellmotor 11 zugeführt wird, der damit eine Schrittbewegung in dem Sinne
auszuführen beginnt, daß die Achse 22 der Sekundärwicklung 10 wieder senkrecht zu
dem Zeiger 21 des magnetischen Wechselfeldes ausgerichtet wird. Mit zunehmender
Annäherung der Achse der Sekundärwicklung 10 an diese Winkellaae wird die in der
Sekundärwicklung 10 von dem magnetischen Wechsel feld induzierte Spannung kleiner
(verql.
-
Fiq. 2 e)),his sie schließlich qanz verschwindet, wenn der Potor eine
Schrittbewegung um eine Schritteilung ausgeführt hat.
-
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Sekundärwicklunq
10 des Drehmelders 9 unmittelbar mit dem Stellmotor 11 mechanisch gekuppelt. Es
ist aher auch denkbar, den Drehmelder 9 mit den von dem Stellmotor 11 zu verstellenden
Elementen zu kuppeln oder zwischen dem Stellmotor 11 und dem Drehmelder 9 mechanische
Übertragungsglieder vorzusehen, die ganz oder z.T. fTbertraaunasalieder zwischen
dem roter und den zu verstellenden Elementen sein können. Anstelle des Dre>elders
kann auch ein anderes lineares oder rotarisches Meßsystem Verwendung finden. Eine
etwa zwischen der Primr-und Sekundärspannung des Drehmelders vorhandene Phasenverschiehllna
kann durch eine entsprechende Phasenverschiebung der RezuasPulse 21Ogeven die gewählten
Scheitelwerte der Bezugsspannung 70 berücksichtigt werden.
-
Schließlich kann anstelle des elektrischen Stellmotors 11 auch ein
hydraulischer Motor mit einem vorgeschalteten Reqelventil Verwendunq finden.
-
- Patentansprüche -